[发明专利]光学三维测量系统

说明书

本发明公开了光学三维测量系统，专门用于高速在线自动检测半导体晶片和晶片封装连线的检查，本系统三维测量系统仅仅需要采集一幅图，就可以得到整个物体表面的三维形貌，因而，测量速度极快，特别适合于在线高速三维检测。该测量系统也适用于检测其他各种物体精密零件的三维表面形貌，特别是其他三维测量系统所不能检测的不连续表面。

技术领域

本发明涉及三维测量领域，特别涉及光学三维测量系统。

背景技术

光学共焦3D轮廓仪正在被越来越广泛地运用于工业三维轮廓测量。然而，由于光学共焦测量技术是一个点测量技术，每次只能测量一个点。如果要测量一个表面，它需要进行垂直和横向扫描来测量一个的区域的三维轮廓。目前国内外大多工业光学共聚焦三维轮廓仪是由光学共焦点传感器加上机械扫描机构完成度。光学共焦传感器的生产厂家有，STIL SA,Fogale Nanotech,Micro Epsilon,FRT,Precitec,等等。光学共焦传感器可以高速测量一个点的表面高度，但是要得到一个区域的表面轮廓，它需要逐点扫描，因而测量速度很慢。

日本Keyence商业的光学焦位移传感器采用震动位移传感器测量到物体的距离。由于有机械运动，速度较慢。光学色差共焦点传感器，由于没有机械运动，因而更有优越性，如美国专利5610734，7561273B2，7626705B2，8134691B2，821299B1等。光学色差共焦点传感器的测量原理是基于在光学透镜的色差。

如图4所示，当一个白色光束通过物镜，不同波长的光被聚焦在由所述物镜不同的焦距，由于色像差的影响。离焦的光通过样品表面反射的将被过滤掉的针孔，仅在光束聚焦的频谱由分光计检测。与波长相关的焦点距离的知识，在试样表面上的点的高度可以通过分析反射光用分光光度计进行解码。由此，点高度可测高速。然而，为了获得一个区域的三维轮廓，检体需要被横向通过的XY运动阶段的手段扫描的逐点。

蔡司的Axiotron 2CSM VIS-UV，如图5所示，是使用光学色差共焦和Nipkow技术以速扫描机构，以产生扫描光学共焦显微镜。有Nipkow转盘上有许多针孔。当尼普科夫圆盘旋转时，光束经过该Nipkow盘上的针孔的扫描整个试样的表面。光束聚焦在不同的距离取决于由于名为Chromat-C美国专利6038066，其插入所述管透镜和物镜之间的透镜的色差的波长。光束被清晰地聚焦在试样表面将反射回通过在试样表面，然后按照相同的路径返回到相同的针孔。穿过针孔，然后光束分离器反射的光束被成像到彩色摄像机。然而，共焦显微镜是用于可视化只而非三维轮廓测量，它可以提供彩色编码图像，但它不能测量的表面高度。

Ruprecht,et al(2004)描述了色差共焦显微镜三维轮廓仪。见图6，白光束被准直并照射旋转的微透镜Nipkow盘。微透镜的焦点在不同的距离被成像到物体上依赖于波长。微透镜作为横向分布的点式传感器，在平行而工作。每个微透镜重新准直由物体反射的光。在视场的微透镜上成像的CCD彩色摄像机。在此设置的深度识别光圈为成像光学的焦点一个针孔。

市场有两个商业共焦显微镜，可以被用作共焦3D轮廓仪，Bruker’s VCMTM andCarl Zeiss’s Axio CSM 700.该光学轮廓仪采用旋转Nipkow圆盘的共焦显微镜技术，用大量垂直扫描采图的方法来测量表面轮廓形貌.它的测量速度慢，仅仅适合测量实验室。